Рентгеновские методы определения состава и структуры материала

По аппаратурно-методическим признакам рентгеновские методы можно классифицировать как рентгеноспектральный и рентгеноструктурный анализы.

Физическая сущность рентгеноспектрального анализа состоит в том, что при поглощении первичного рентгеновского излучения в наследуемом образце энергия поглощенного излучения переходит в энергию ионизации вещества. Каждый химический элемент имеет спектр излучения, характерный только для него, а само излучение называется характеристическим, по спектру которого можно определить элементный или атомный состав вещества, а по интенсивности – концентрацию атомов данного элемента.

Возбуждение характеристического излучения возможно лишь при бомбардировании исследуемого образца электронами, ускоряемыми электрическим или магнитным полем высокой напряженности, либо при облучении его рентгеновским излучением. Первый способ носит название прямого (первичного) возбуждения, второй – флуоресцентного (вторичного) возбуждения.

Для проведения рентгеноментрального анализа применяются флуоресцентные рентгеновские спектрометры, кристаллдифракционные спектрометры и бескристальные анализаторы.

В флуоресцентных рентгеновских спектрометрах флуоресцентный рентгеновский спектр, содержащий характеристические линии элементов, входящих в состав исследуемого образца, регистрируются с помощью пропорциональных, сцинтилляционных счетчиков или полупроводниковых детекторов, обрабатываются с помощью ЭВМ, а результаты анализа выводятся на экран дисплея.

В кристаллдифракционных спектрометрах для регистрации всех характеристических линий флуоресценции исследуемого образца используется дифракция излучения на кристалле, определяемая уравнением Вульфа-Брегга:

,

где d - межплоскостное расстояние для отражающей плоскости кристалла;

θ – угол дифракции;

- длина волны дифракционного фотона;

n = 1,2,3,…. – порядок дифракции.

Поворачивая кристалл в процессе анализа, изменяют угол падения флуоресцентного излучения образца на кристалл, измеряют интенсивность отраженного излучения, находят ее максимум, приходящийся на брегговский угол, и таким образом регистрируют все характеристические линии флуоресценции образца.

В бескристальных анализаторах для проведения флуоресцентного рентгеноспектрального анализа с целью выделения характеристической линии применяют селективные рентгеновские фильтры и дифференциальные детекторы, при котором используется зависимость амплитуды импульса на выходе детектора от энергии регистрируемого излучения.

Метод рентгеноструктурного анализа применяется для исследования структуры вещества по распределению в пространстве и интенсивности рентгеновского излучения, рассеянного на анализируемом образце. Методы рентгеноструктурного анализа позволяют определить дефекты кристаллического строения веществ. Сущность рентгеноструктурного анализа объясняется явлением дифракции рентгеновского излучения, основанный на взаимодействии первичного рентгеновского излучения с длиной волны порядка 1·10^-10м с электронами исследуемого образца. Дифракционная картина зависит от длины волны рентгеновских лучей и строения вещества.

В результате дифракции возникает вторичное рентгеновское излучение с той же длиной волны, направление и интенсивность которых определяется строением вещества.

Дифрагированные таким образом рентгеновские лучи интерферируют между собой. В направлениях, в которых разность хода лучей равна целому числу длины волн, возникают дифракционные максимумы. Эта закономерность описывается уравнением Вульфа-Брегга. При известной длине волны каждому значению межплоскостного расстояния соответствует определенный угол дифракции, измеряя который, можно определить межплоскостное расстояние между соседними плоскостями элементарной ячейки кристалла анализируемого образца. При этом определяется взаимное расстояние разных атомов, и определяются межатомные расстояния.

Приборы для флуоресцентого спектрального анализа веществ разделяют на три основные группы: кристаллдифракционные сканирующие спектрометры, позволяющие проводить анализ широкой группы элементов; многоканальные спектрометры (квантометры) для одновременного анализа нескольких элементов в дискретных образцах или на потоке; анализаторы, позволяющие проводить анализ образцов ограниченной группы элементов.

Высокопроизводительные рентгеновские анализаторы применяют для выявления рудных элементов в горных породах и рудах, меди в штейнах и шлаках медиплавельного производства и т.д.

К кристалл-дифракционным сканирующим спектрометрам относят коротковолновые флуоресцентные рентгеновские спектрометры, предназначенные для экспрессного количественного анализа различных материалов.

К многоканальным спектрометрам относятся, например, квантометр КРФ – 18, предназначенный для массовых экспрессных анализов порошковых и монолитных материалов. Квантометр позволяет одновременно определять содержание 12 элементов в одном образце в диапазоне от магния до урана. Порог чувствительности порядка 10^-2 – 10^-4.

В качестве рентгеноспектральных анализаторов используются рентгеновские бескристальные скоростные анализаторы с дифференциальными детекторами. Они предназначены для многокомпонентного экспрессного количественного анализа химического состава различных материалов непосредственно в производственных (полевых) условиях без отбора проб.

Рентгеновские приборы для структурного анализа можно подразделить на две группы: рентгеновские дифрактометры и приборы с фотографической регистрацией интерферационных картин.

Рентгеновские дифрактометры общего назначения состоят из источника рентгеновского излучения гониометрического устройства, точечного счетчикаквантов со счетно-регистрирующим устройством, набором приставок к дифрактометру на гониометрическом устройстве.

Они позволяют проводить качественный и количественный фазовый анализ, исследовать твердые растворы, получать полный набор интегральных интенсивностей максимумов от кристаллов, исследовать текстуру(ы).

Особое место занимают дифрактометры определения макронапряжений в крупногабаритных объектах по ….. смещению интерференционных максимумов, вызываемому изменениями периодов кристаллической решетки при деформации (напряжении) материала.

В приборах для рентгеноструктурного анализа с фотографической регистрацией применяются острофокусные рентгеновские трубки, которые отличаются от обычных малыми размерами фокусного пятна в трубке. Дифракционная картина регистрируется на фотопленке – можно получать дифракционные рентгенограммы с высоким разрешением.

Глава 1.7 Обработка результатов измерений.

Дата добавления: 2014-12-10